RU2759146C1 - Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it - Google Patents
Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759146C1 RU2759146C1 RU2020137569A RU2020137569A RU2759146C1 RU 2759146 C1 RU2759146 C1 RU 2759146C1 RU 2020137569 A RU2020137569 A RU 2020137569A RU 2020137569 A RU2020137569 A RU 2020137569A RU 2759146 C1 RU2759146 C1 RU 2759146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- nickel
- alloy
- temperature
- tape
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
- C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
- H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
- H01B12/06—Films or wires on bases or cores
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения биаксиально текстурированных подложек.The invention relates to metallurgy, in particular to methods for producing biaxially textured substrates.
Биаксиально текстурированная подложка служит основой для эпитаксиального нанесения на нее буферных и высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) слоев. Готовая многослойная лента может быть использована для передачи электроэнергии с наименьшими потерями, создания сильных магнитных полей в безгелиевых ВТСП соленоидах, для проектирования экономичных, с улучшенными массогабаритными характеристиками изделий для электроэнергетики и медицинского оборудования. Кроме того, ВТСП-провод, в котором использована биаксиально текстурированная лента-подложка, является единственным материалом, который позволяет создать сверхвысокие магнитные поля, необходимые для осуществления реакции термоядерного синтеза в компактных токамаках.The biaxially textured substrate serves as the basis for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting (HTSC) layers on it. The finished multilayer tape can be used to transmit electricity with the lowest losses, to create strong magnetic fields in helium-free HTSC solenoids, to design cost-effective, with improved weight and size characteristics of products for the electric power industry and medical equipment. In addition, an HTSC wire, in which a biaxially textured substrate tape is used, is the only material that makes it possible to create ultrahigh magnetic fields necessary for the implementation of a thermonuclear fusion reaction in compact tokamaks.
В 90-х гг. была разработана технология высокотемпературных сверхпроводящих кабелей второго поколения, основанная на эпитаксиальном нанесении керамического высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) через буферные слои на биаксиально текстурированную металлическую подложку [Goyal A., Norton D.P., Budai J.D., Phavantham N., et. al. High Critical Current Density Superconductors Tapes by Epitaxial Deposition of YВа2Сu3Ох Thick Films on Biaxially Texturated Metals // Appl. Phys. Lett. 1996. V.69, №.16. P.1795-1797], что привело к необходимости получения металлических лент-подложек с высокой степенью совершенства кубической текстуры {100}<001>.In the 90s. the technology of high-temperature superconducting cables of the second generation was developed, based on the epitaxial deposition of a ceramic high-temperature superconductor (HTSC) through buffer layers on a biaxially textured metal substrate [Goyal A., Norton DP, Budai JD, Phavantham N., et. al. High Critical Current Density Superconductors Tapes by Epitaxial Deposition of YВа 2 Сu 3 О х Thick Films on Biaxially Texturated Metals // Appl. Phys. Lett. 1996. V.69, No. 16. P.1795-1797], which led to the need to obtain metal substrate tapes with a high degree of perfection of cubic texture {100} <001>.
Основной характеристикой ленточных многослойных ВТСП является величина критического тока, которая в значительной степени определяется остротой кристаллографической текстуры в материале сверхпроводника, наследуемой от биаксиальной кубической текстуры металлической подложки. Желательно также, чтобы металлическая подложка не была ферромагнитной при рабочей температуре ВТСП, поскольку чем меньше магнитная проницаемость подложки, тем больше критический ток.The main characteristic of tape multilayer HTSCs is the value of the critical current, which is largely determined by the sharpness of the crystallographic texture in the superconductor material, inherited from the biaxial cubic texture of the metal substrate. It is also desirable that the metal substrate is not ferromagnetic at the operating temperature of the HTSC, since the lower the magnetic permeability of the substrate, the greater the critical current.
Для производства длинных лент в промышленности необходимо иметь достаточно высокие прочностные свойства несущей металлической ленты, которая обеспечивает структурную целостность слоя ВТСП. Кроме того, желательно, чтобы лента-подложка, помимо высокой степени текстурованности, немагнитности и прочности, обладала высокой стойкостью к окислению, особенно при температурах нанесения буферных и сверхпроводящих слоев.For the production of long strips in industry, it is necessary to have sufficiently high strength properties of the supporting metal strip, which ensures the structural integrity of the HTSC layer. In addition, it is desirable that the substrate tape, in addition to a high degree of texture, non-magnetic, and strength, has a high resistance to oxidation, especially at the deposition temperatures of the buffer and superconducting layers.
Поэтому создание способа изготовления биаксиально текстурированной подложки из тройного сплава на медно-никелевой основе, обладающего высокими прочностными свойствами несущей металлической ленты и расширяющего тем самым линейку тройных сплавов на медно-никелевой основе, обладающих необходимыми прочностными свойствами и степенью остроты кристаллографической текстуры, при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника (77 К), присущим подложкам из тройного сплава на медно-никелевой основе с добавками железа, или хрома, или ванадия является технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение.Therefore, the creation of a method for the manufacture of a biaxially textured substrate from a ternary alloy on a copper-nickel base, which has high strength properties of a supporting metal strip and thereby expands the line of ternary alloys on a copper-nickel base, possessing the necessary strength properties and a degree of sharpness of the crystallographic texture, while maintaining non-magnetic at the operating temperature of a high-temperature superconductor (77 K), inherent in substrates of a ternary alloy on a copper-nickel base with additions of iron, or chromium, or vanadium is a technical problem to be solved by the claimed technical solution.
Подложка может быть текстурирована с применением деформационных процессов, таких как холодная прокатка и последующего рекристаллизационного отжига подложки.The substrate can be textured using deformation processes such as cold rolling and subsequent recrystallization annealing of the substrate.
Известен способ изготовления биаксиально текстурированной подложки, включающий выплавку, ковку, холодную прокатку и последующий рекристаллизационный отжиг, в котором используются различные чистые металлы: Ni, Сu, Pd, Pt, Ag и некоторые сплавы перечисленных металлов [Патент США №6,180,570].A known method of manufacturing a biaxially textured substrate, including smelting, forging, cold rolling and subsequent recrystallization annealing, which uses various pure metals: Ni, Cu, Pd, Pt, Ag and some alloys of these metals [US Patent No. 6,180,570].
Перечисленные чистые металлы обладают чрезвычайно низким значением предела текучести в текстурированном состоянии (от 25 до 35 МПа). Кроме того, в описанном способе изготовления подложки не все металлы обеспечивают после соответствующих технологических процедур формирование острой кубической текстуры и необходимого уровня прочности. Например, в серебре при прокатке при комнатной температуре образуется текстура деформации такого компонентного состава, что становится невозможно получить кубическую текстуру рекристаллизации при последующем отжиге [Вассерман Г., Гревен И. Текстуры металлических материалов. М.: Металлургия, 1969. 655 с.]. В чистой меди, а также в чистом никеле, после высоких степеней холодной прокатки образуется текстура такого компонентного состава, что обеспечивается формирование в ленте после первичной рекристаллизации острой кубической текстуры, но низкие прочностные свойства не позволяют производить протяженные ленты.The listed pure metals have an extremely low value of the yield stress in the textured state (from 25 to 35 MPa). In addition, in the described method of manufacturing a substrate, not all metals provide, after appropriate technological procedures, the formation of a sharp cubic texture and the required level of strength. For example, in silver when rolling at room temperature, a texture of deformation of such a component composition is formed that it becomes impossible to obtain a cubic texture of recrystallization during subsequent annealing [Wasserman G., Grevin I. Textures of metallic materials. M .: metallurgy, 1969. 655 p.]. In pure copper, as well as in pure nickel, after high degrees of cold rolling, a texture of such a component composition is formed, which ensures the formation of a sharp cubic texture in the strip after primary recrystallization, but low strength properties do not allow the production of extended strips.
Таким образом, этот способ изготовления биаксиально текстурированной подложки не обеспечивает достижение высоких прочностных свойств несущей металлической ленты при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника, и, следовательно, не решает технической проблемы.Thus, this method of manufacturing a biaxially textured substrate does not ensure the achievement of high strength properties of the carrier metal tape while maintaining non-magnetic properties at the operating temperature of the high-temperature superconductor, and, therefore, does not solve the technical problem.
Известен способ производства биаксиально текстурированной подложки, включающий выплавку, ковку, холодную реверсивную прокатку до степени деформации более 97% и рекристаллизационный отжиг при температуре ≥1000°С, в котором используют различные тройные сплавы на основе никеля. [Патент США 5,964,966]. Примерами таких сплавов являются сплавы с 5-10 ат. % W и 2-4 ат. % Аl. Сплав Ni-5%W-2%Аl обладает высокой степенью совершенства кристаллографической текстуры и необходимой прочностью, но никель сильный ферромагнетик и сплав имеет температуру Кюри около 260 К, т.е. при 77 К, рабочей температуре ВТСП, является ферромагнитным. Поскольку на величину критического тока в сверхпроводящем слое влияет магнитное состояние материала подложки (чем меньше магнитная проницаемость подложки, тем больше критический ток), необходимо, чтобы материал подложки был немагнитен при рабочей температуре ВТСП. С целью достижения немагнитного состояния тройного никелевого сплава увеличивают количество вводимых легирующих элементов. Полученные сплавы Ni-5%W-2%Al и Ni-5%W-4%Al немагнитны при 77 К, но в них не удается получить необходимую степень совершенства кубической текстуры из-за снижения энергии дефектов упаковки сплава ниже порогового значения, при котором в сплаве после холодной деформации прокаткой и последующем рекристаллизационном отжиге возможно образование острой кубической текстуры.A known method for the production of biaxially textured substrate, including smelting, forging, cold reverse rolling to a degree of deformation of more than 97% and recrystallization annealing at a temperature of ≥1000 ° C, which uses various ternary alloys based on nickel. [US Patent 5,964,966]. Examples of such alloys are alloys with 5-10 at. % W and 2-4 at. % Al. Alloy Ni-5% W-2% Al has a high degree of perfection of crystallographic texture and required strength, but nickel is a strong ferromagnet and the alloy has a Curie temperature of about 260 K, i.e. at 77 K, the operating temperature of the HTSC, is ferromagnetic. Since the magnitude of the critical current in the superconducting layer is affected by the magnetic state of the substrate material (the lower the magnetic permeability of the substrate, the greater the critical current), it is necessary that the substrate material be nonmagnetic at the operating temperature of the HTSC. In order to achieve a non-magnetic state of a ternary nickel alloy, the amount of alloying elements introduced is increased. The obtained alloys Ni-5% W-2% Al and Ni-5% W-4% Al are nonmagnetic at 77 K, but they fail to obtain the required degree of perfection of the cubic texture due to a decrease in the energy of stacking faults in the alloy below the threshold value, at which in the alloy after cold deformation by rolling and subsequent recrystallization annealing, the formation of a sharp cubic texture is possible.
Таким образом, этот способ изготовления биаксиально текстурированной подложки не позволяет обеспечить одновременное выполнение двух необходимых условий, а именно совершенную кубическую текстуру при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника, и, следовательно, не решает технической проблемы.Thus, this method of manufacturing a biaxially textured substrate does not allow for the simultaneous fulfillment of two necessary conditions, namely, a perfect cubic texture while maintaining non-magnetism at the operating temperature of a high-temperature superconductor, and, therefore, does not solve a technical problem.
Известен также способ изготовления биаксиально текстурированной подложки из медно-никелевого сплава, включающий выплавку, ковку, холодную реверсивную прокатку до степени деформации более 95% и рекристаллизационный отжиг при температуре ≥800°С, в котором в качестве медно-никелевого сплава используют бинарные сплавы с содержанием меди от 30 до 55 ат. %, предпочтительным из которых является немагнитный при температуре 77 К бинарный сплав Ni-55 ат. % Сu [Патент США 5,964,966]. Такой медно-никелевый сплав обладает трехкратным упрочнением (по σ0,2) в сравнении с чистой медью.There is also known a method of manufacturing a biaxially textured substrate from a copper-nickel alloy, including smelting, forging, cold reverse rolling to a degree of deformation of more than 95% and recrystallization annealing at a temperature of ≥800 ° C, in which binary alloys are used as a copper-nickel alloy containing copper from 30 to 55 at. %, the preferred of which is a binary alloy Ni-55 at. % Cu [US Patent 5,964,966]. This copper-nickel alloy has a three-fold hardening (σ 0.2 ) in comparison with pure copper.
Однако, стремление уменьшить толщину металлической подложки с целью уменьшения веса конструкции ВТСП-провода, диктует необходимость дальнейшего увеличения прочности ленты. Увеличение прочности медно-никелевого сплава за счет увеличения содержания в нем никеля невозможно, поскольку содержанием никеля 45-46 ат. % является предельным для сохранения парамагнитного состояния сплава (немагнитного при температуре жидкого азота 77 К). Следовательно, нет возможности достичь необходимого уровня прочности, используя двойные медно-никелевые сплавы, и тем самым решить техническую проблему.However, the desire to reduce the thickness of the metal substrate in order to reduce the weight of the structure of the HTSC wire dictates the need to further increase the strength of the tape. An increase in the strength of a copper-nickel alloy due to an increase in the nickel content in it is impossible, since the nickel content is 45-46 at. % is the limiting value for maintaining the paramagnetic state of the alloy (nonmagnetic at a liquid nitrogen temperature of 77 K). Therefore, it is not possible to achieve the required level of strength using double copper-nickel alloys, and thereby solve the technical problem.
Известен близкий к заявляемому по технической сущности способ изготовления биаксиально текстурированной подложки из тройного сплава на медно-никелевой основе - константана, включающий выплавку, ковку, холодную реверсивную прокатку до степени деформации более 95% и рекристаллизационный отжиг при температуре ≥900°С [Varanasi C.V., Brunke L., J Burke, Maartense I., Padmaja N., Efstathiadis H., Chaney A. and Barnes P.N. Biaxially textured constantan alloy (Cu 55 wt%, Ni 44 wt%, Mn 1 wt%) substrates for YBa2Cu3O7-x coated conductors // Supercond. Sci. Technol. 2006. V. 19. P. 896-901.] Этот сплав по составу близок к промышленному константану Сu-43% Ni-1,5% Mn (американский стандарт С - 72150).Known close to the claimed technical essence of a method of manufacturing a biaxially textured substrate from a ternary alloy on a copper-nickel base - constantan, including smelting, forging, cold reverse rolling to a degree of deformation of more than 95% and recrystallization annealing at a temperature of ≥900 ° C [Varanasi CV, Brunke L., J Burke, Maartense I., Padmaja N., Efstathiadis H., Chaney A. and Barnes PN Biaxially textured constantan alloy (Cu 55 wt%, Ni 44 wt%,
Однако, введение в медно-никелевую основу такого третьего элемента как марганец не дает преимуществ с точки зрения упрочнения сплава. Присутствующий в промышленном константане марганец, является технологической добавкой при раскислении жидкого металла во время выплавки [Мальцев М.В., Барсукова Т.А., Борин Ф.А. Металлография цветных металлов и сплавов. М.: ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1960. 372 с. (с.15)]. Следовательно, марганец, присутствующий в данном тройном сплаве на медно-никелевой основе не позволяет достичь необходимого уровня прочности, и тем самым решить техническую проблему.However, the introduction of such a third element as manganese into the copper-nickel base does not provide advantages from the point of view of alloy hardening. Manganese present in industrial constantan is a technological additive in the deoxidation of liquid metal during smelting [MV Maltsev, TA Barsukova, FA Borin. Metallography of non-ferrous metals and alloys. M .: GNTI on ferrous and non-ferrous metallurgy, 1960.372 p. (p.15)]. Consequently, the manganese present in this ternary alloy on a copper-nickel base does not allow achieving the required level of strength, and thereby solve a technical problem.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ изготовления биаксиально текстурированной подложки из тройного сплава на медно-никелевой основе с добавками 3d-переходных металлов 4 периода (железа, хрома или ванадия), включающий выплавку, ковку, холодную реверсивную прокатку до степени деформации более 95% и рекристаллизационный отжиг при температуре ≥1000°С [Патент РФ RU №2624564]. Способ позволяет получить четырехкратное упрочнение ленты-подложки по сравнению с лентами из чистой меди, при сохранении ее немагнитности и высокой остроты кристаллографической текстуры.The closest to the claimed technical essence is a method of manufacturing a biaxially textured substrate from a ternary alloy on a copper-nickel base with the addition of 3d transition metals of the 4th period (iron, chromium or vanadium), including smelting, forging, cold reverse rolling to a degree of deformation of more than 95 % and recrystallization annealing at a temperature of ≥1000 ° C [RF Patent RU No. 2624564]. The method makes it possible to obtain a fourfold hardening of the substrate strip in comparison with strips of pure copper, while maintaining its non-magnetic properties and high sharpness of the crystallographic texture.
Наиболее близкий аналог также не решает технической проблемы, включающей расширение линейки тройных сплавов на медно-никелевой основе, обладающих необходимыми прочностными свойствами и степенью остроты кристаллографической текстуры, при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника (77 К), используемых в качестве эпитаксиальных подложек. К тому же, использованные в этом способе 3d-переходные металлы 4 периода являются менее эффективными упрочнителями, в расчете на 1 ат. % легирующего элемента, чем, например, основные тугоплавкие 4d-переходные металлы 5 периода (ниобий, молибден) и 5d-переходные металлы 6 периода (вольфрам).The closest analogue also does not solve the technical problem, including the expansion of the line of ternary alloys on a copper-nickel base, which have the necessary strength properties and the degree of sharpness of the crystallographic texture, while maintaining non-magnetic properties at the operating temperature of a high-temperature superconductor (77 K), used as epitaxial substrates. In addition, the 3d transition metals of the 4th period used in this method are less effective hardeners, per 1 at. % alloying element than, for example, the main refractory 4d-transition metals of the 5th period (niobium, molybdenum) and 5d-transition metals of the 6th period (tungsten).
В основе изобретения лежит техническая проблема расширения линейки тройных сплавов на медно-никелевой основе, обладающих необходимыми прочностными свойствами и степенью остроты кристаллографической текстуры, при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника (77 К), присущим подложкам, изготовленным из тройного сплава на медно-никелевой основе с добавками железа, или хрома, или ванадия.The invention is based on the technical problem of expanding the range of ternary alloys on a copper-nickel base, having the necessary strength properties and a degree of sharpness of the crystallographic texture, while maintaining non-magnetic at the operating temperature of a high-temperature superconductor (77 K), inherent in substrates made of a ternary alloy on a copper-nickel based on the addition of iron, or chromium, or vanadium.
Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в расширении арсенала тройных сплавов на медно-никелевой основе, обладающих необходимыми прочностными свойствами и степенью остроты кристаллографической текстуры, при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника (77 К), присущим лентам-подложкам из тройного сплава на медно-никелевой основе с добавками железа, или хрома, или ванадия.The technical problem is solved by achieving the technical result, which consists in expanding the arsenal of ternary alloys on a copper-nickel base, possessing the necessary strength properties and a degree of sharpness of the crystallographic texture, while maintaining non-magnetic at the operating temperature of a high-temperature superconductor (77 K), inherent in tapes-substrates made of ternary alloy on copper-nickel base with additions of iron, or chromium, or vanadium.
Для создания тройных сплавов на медной основе, в которых можно получить острую кубическую текстуру целесообразно использовать сплавы с содержанием никеля не более 45 ат. %, поскольку они парамагнитны при рабочей температуре ВТСП (77 К).To create ternary copper-based alloys, in which a sharp cubic texture can be obtained, it is advisable to use alloys with a nickel content of not more than 45 at. %, since they are paramagnetic at the HTSC operating temperature (77 K).
Легирование медно-никелевого твердого раствора некоторыми 4е-переходными металлами 5 периода, такими как ниобий и молибден, а также 5d-переходными металлами 6 периода, такими как вольфрам, позволит получить прочностные свойства прокатанной ленты не хуже, даже при меньшем количестве вводимой добавки, (поскольку упрочняющая способность этих металлов в расчете на 1 ат. % легирующего элемента выше, чем у железа, хрома и ванадия), содержащихся в известных тройных сплавах на медно-никелевой основе.Alloying a copper-nickel solid solution with some 4e-transition metals of the 5th period, such as niobium and molybdenum, as well as 5d-transition metals of the 6th period, such as tungsten, will make it possible to obtain the strength properties of the rolled strip no worse, even with a smaller amount of added additive, ( since the hardening ability of these metals per 1 at.% of the alloying element is higher than that of iron, chromium and vanadium) contained in the known ternary alloys based on copper-nickel.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления биаксиально текстурированной подложки из тройного сплава на медно-никелевой основе, включающем выплавку, ковку, холодную реверсивную прокатку ленты до степени деформации ≥97% и рекристаллизационный отжиг ее при температуре ≥1000°С, согласно изобретению в качестве тройного сплава на медно-никелевой основе используют сплав с добавками тугоплавких 4d-переходных металлов 5 периода или 5d-переходных металлов 6 периода следующего химического состава, ат. %:The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a biaxially textured substrate from a ternary alloy on a copper-nickel base, including smelting, forging, cold reverse rolling of the strip to a degree of deformation of ≥97% and its recrystallization annealing at a temperature of ≥1000 ° C, according to the invention in as a ternary alloy on a copper-nickel base, an alloy with the addition of refractory 4d-transition metals of the 5th period or 5d-transition metals of the 6th period of the following chemical composition, at. %:
Ниобий ≤2.5 ат. %, или молибден ≤2.0 ат. %, или вольфрам ≤2.0 ат. %,Niobium ≤2.5 at. %, or molybdenum ≤2.0 at. %, or tungsten ≤2.0 at. %,
Никель - 40-45 ат. %,Nickel - 40-45 at. %,
Медь - остальное;Copper is the rest;
При этом температура рекристаллизационного отжига составляет 1000-1050°С.In this case, the temperature of recrystallization annealing is 1000-1050 ° C.
Легирование медно-никелевого сплава любым из перечисленных элементов: Nb, Mo или W не приводит к изменению типа текстуры деформации в сторону снижения склонности к образованию кубической текстуры рекристаллизации при отжиге сплава.Alloying a copper-nickel alloy with any of the listed elements: Nb, Mo, or W does not lead to a change in the type of deformation texture towards a decrease in the tendency to form a cubic recrystallization texture during alloy annealing.
Известно, что при легировании меди никелем происходит не уменьшение энергии дефектов упаковки (ЭДУ), как при легировании меди другими металлами, а даже незначительное увеличению ЭДУ [Gallagher P.C.J. The Influence of Alloying, Temperature, and Related Effects on the Stacking Fault Energy // Met. Trans. 1970. V.1. P. 2429-2460.], что, в свою очередь, приводит к изменению типа текстуры деформации в сторону усиления склонности к образованию кубической текстуры рекристаллизации при отжиге двойного медно-никелевого сплава. Комплексное легирование меди никелем и 3d-переходным металлом 4 периода при создании тройного сплава на медно-никелевой основе в известных тройных сплавах на медно-никелевой основе [Патент РФ RU №2624564] также не приводит к изменению типа текстуры деформации в сторону снижения склонности к образованию кубической текстуры рекристаллизации при отжиге сплава.It is known that when copper is doped with nickel, there is not a decrease in the energy of stacking faults (EDF), as when alloying copper with other metals, but even a slight increase in EDF [Gallagher P.C.J. The Influence of Alloying, Temperature, and Related Effects on the Stacking Fault Energy // Met. Trans. 1970. V.1. P. 2429-2460.], Which, in turn, leads to a change in the type of deformation texture towards an increase in the tendency to form a cubic texture of recrystallization during annealing of a double copper-nickel alloy. Complex alloying of copper with nickel and 3d-transition metal of 4 periods when creating a ternary alloy on a copper-nickel base in known ternary alloys on a copper-nickel base [RF Patent RU No. 2624564] also does not lead to a change in the type of deformation texture towards a decrease in the tendency to form cubic texture of recrystallization upon alloy annealing.
Для всех тройных сплавов на медно-никелевой основе с добавками 4d-переходных металлов 5 периода (ниобий, молибден) и 5d-переходных металлов 6 периода (вольфрам) сумма основных деформационных компонент С и S больше удвоенного количества компоненты В и после рекристаллизационного отжига при температуре ≥1000°С в прокатанных лентах из этих сплавов формируется острая кубическая текстура с объемной долей зерен, имеющих ориентацию {001}<100>±10° более 97% (фиг. 1).For all ternary alloys on a copper-nickel base with additions of 4d-transition metals of the 5th period (niobium, molybdenum) and 5d-transition metals of the 6th period (tungsten), the sum of the main deformation components C and S is more than twice the amount of component B and after recrystallization annealing at a temperature ≥1000 ° C in the rolled strips of these alloys, a sharp cubic texture is formed with the volume fraction of grains having an orientation {001} <100> ± 10 ° of more than 97% (Fig. 1).
Нами установлена оптимальная температура рекристаллизационного отжига - 1050°С, позволяющая получить в ленте исследованных тройных сплавов высокотекстурированное состояние, приближающееся к монокристаллическому. Показано, что при увеличении температуры рекристаллизационного отжига с 1000°С до 1050°С доля зерен с двойниковой ориентацией снижается до уровня менее 1%, также структура становится также более однородной по размеру зерна (фиг. 2). Зерна двойниковой ориентации, присутствующие в небольшом количестве после отжига при 1000°С, имеют характерные «прямые» границы (на фиг. 2а показаны стрелками). После отжига при 1050°С двойников в структуре исследованных сплавов нет (фиг. 2б). Показателем повышения качества кубической текстуры с увеличением температуры рекристаллизационного отжига является и существенное увеличение уровня интенсивности текстурного максимума (на ~30%), а также заметно меньшая площадь области на полюсной фигуре, очерченная контуром наибольшей интенсивности (фиг. 3).We have established the optimum temperature of recrystallization annealing - 1050 ° C, which allows us to obtain a highly textured state in the strip of the studied ternary alloys approaching a single-crystal state. It was shown that with an increase in the recrystallization annealing temperature from 1000 ° C to 1050 ° C, the proportion of grains with a twin orientation decreases to less than 1%, and the structure also becomes more uniform in grain size (Fig. 2). Twin grains, present in small amounts after annealing at 1000 ° C, have characteristic "straight" boundaries (shown by arrows in Fig. 2a). After annealing at 1050 ° C, there are no twins in the structure of the studied alloys (Fig. 2b). An indicator of an increase in the quality of a cubic texture with an increase in the temperature of recrystallization annealing is a significant increase in the intensity level of the texture maximum (by ~ 30%), as well as a noticeably smaller area of the region on the pole figure, outlined by the contour of the highest intensity (Fig. 3).
Степень совершенства кубической текстуры рекристаллизации исследованных нами тройных сплавов Cu-Ni-W, Cu-Ni-Mo, Cu-Ni-Nb представлена на фиг. 1, и в табл. 1.The degree of perfection of the cubic texture of recrystallization of the ternary alloys Cu-Ni-W, Cu-Ni-Mo, Cu-Ni-Nb studied by us is shown in Fig. 1, and in table. 1.
Повышение степени текстурного и структурного совершенства исследованных нами тройных сплавов Cu-Ni-W, Cu-Ni-Mo, Cu-Ni-Nb представлено на фиг. 2 и фиг. 3.An increase in the degree of textural and structural perfection of the ternary alloys Cu-Ni-W, Cu-Ni-Mo, Cu-Ni-Nb studied by us is shown in Fig. 2 and FIG. 3.
Нами проведен анализ механических свойств текстурированных лент из предлагаемых тройных сплавов, а также для сравнения лент из чистой меди и известных тройных сплавов с железом, хромом и ванадием. Легирование медно-никелевой основы 4d-переходными металлами 5 периода (ниобий или молибден) или 5d-переходными металлами 6 периода (вольфрам) позволяет получить равноценное или выше упрочнение ленты, при сохранении немагнитности и склонности известных тройных сплавов на медно-никелевой основе к образованию совершенной кубической текстуры рекристаллизации. Замена в сплаве третьего элемента хрома, железа или ванадия на тугоплавкие элементы ниобий, молибден или вольфрам, приводящая к четырехкратному упрочнению ленты-подложки из чистой меди (табл.1), позволяет уменьшить толщину ленты-подложки, что в свою очередь приводит к существенной экономии металла при производстве протяженного кабеля.We analyzed the mechanical properties of textured tapes from the proposed ternary alloys, as well as to compare tapes from pure copper and known ternary alloys with iron, chromium and vanadium. Alloying the copper-nickel base with 4d-transition metals of the 5th period (niobium or molybdenum) or 5d-transition metals of the 6th period (tungsten) makes it possible to obtain an equivalent or higher hardening of the tape, while maintaining non-magnetic and the tendency of the known ternary alloys on a copper-nickel base to form a perfect cubic recrystallization texture. Replacing the third element of chromium, iron, or vanadium in the alloy with refractory elements niobium, molybdenum, or tungsten, which leads to a fourfold hardening of the pure copper substrate strip (Table 1), makes it possible to reduce the thickness of the substrate strip, which in turn leads to significant savings metal in the production of long cable.
Нами установлены пороговые значения содержания легирующего элемента (Nb, Mo или W) в тройных сплавах на медно-никелевой основе, в вес. %: 0.5≤Nb≤2.5; 0.5≤Мо≤2.0; 0.5≤W≤1.1. При содержании в тройном сплаве на медно-никелевой основе Cu-Ni-Me (Me=Cr, Fe, V) менее 0.5 ат. % легирующей добавки не будет достигаться необходимый уровень прочности ленты-подложки. С другой стороны, количество более 2.5 ат. % ниобия или более 2.0 ат. % молибдена или вольфрама в тройном сплаве на медно-никелевой основе превышает его предельную, растворимость в ГЦК медно-никелевой матрице, что может привести к нежелательному появлению частиц второй фазы и снижению степени остроты биаксиальной кубической текстуры.We have established threshold values for the content of the alloying element (Nb, Mo or W) in ternary alloys on a copper-nickel basis, in weight. %: 0.5≤Nb≤2.5; 0.5≤Mo≤2.0; 0.5≤W≤1.1. When the content of the ternary copper-nickel-based alloy Cu-Ni-Me (Me = Cr, Fe, V) is less than 0.5 at. % of the alloying addition, the required level of strength of the substrate tape will not be achieved. On the other hand, the amount is more than 2.5 at. % niobium or more 2.0 at. % of molybdenum or tungsten in a ternary alloy on a copper-nickel base exceeds its limiting solubility in an fcc copper-nickel matrix, which can lead to the undesirable appearance of particles of the second phase and a decrease in the sharpness of the biaxial cubic texture.
В таблице 1 приведен химический состав, механические свойства и параметры кубической текстуры исследованных тройных сплавов на медно-никелевой основе в сравнении с медью и тройными сплавами с железом, хромом и ванадием.Table 1 shows the chemical composition, mechanical properties and parameters of the cubic texture of the studied ternary alloys on a copper-nickel base in comparison with copper and ternary alloys with iron, chromium and vanadium.
На фиг. 1. показаны EBSD-ориентационная микрокарта (а), компонентный состав текстуры рекристаллизации (б) и гистограммы разориентировки границ зерен (в) для сплава Сu-40% Ni-0.8%Mo после отжига при 1050°С. Объемная доля кубических зерен с рассеянием ±10° составляет более 97%.FIG. 1 shows the EBSD orientation micromap (a), the component composition of the recrystallization texture (b), and the histograms of grain boundary misorientation (c) for the Cu-40% Ni-0.8% Mo alloy after annealing at 1050 ° C. The volume fraction of cubic grains with a scattering of ± 10 ° is more than 97%.
На фиг. 2. показана структура поверхности текстурованных лент из сплава п Сu-40% Ni - 0.8%Мо после отжига при 1000 (а) и 1050°С (б).FIG. 2. shows the surface structure of textured ribbons made of p Cu-40% Ni - 0.8% Mo alloy after annealing at 1000 (a) and 1050 ° C (b).
На фиг. 3 показаны полюсные фигуры {111} для текстурованной ленты из сплава Cu-40% Ni-0.8% W после часового рекристаллизационного отжига при 1000 (а) и 1050°С (б).FIG. 3 shows pole figures {111} for a textured ribbon made of Cu-40% Ni-0.8% W alloy after an hour of recrystallization annealing at 1000 (a) and 1050 ° C (b).
Способ осуществляют следующим образом:The method is carried out as follows:
Тройные сплавы на медно-никелевой основе выплавляют в алундовых тиглях в атмосфере аргона в вакуумной индукционной печи. Используют бескислородную медь чистотой 99.95 вес. %, никель чистотой 99.99 вес. %, а также ниобий, молибден и вольфрам чистотой не ниже 99.94 вес. %. Слитки подвергают ковке при температуре в интервале 1100-900°С на прутки сечением 10×10 мм. После шлифовки получают заготовки 10×10×150 мм, которые отжигают при 650°С, 1.5 часа. Средняя величина зерна в заготовках не должна превышать 40 мкм. Холодную прокатку заготовок осуществляют в два этапа: 1 этап на прокатном стане с диаметром валков 180 мм (деформация ~90%, число проходов 35-40); 2 этап - на двухвалковом прокатном стане с полированными валками диаметром 55 мм до ленты толщиной 80-100 мкм, степень холодной деформации составляет 98-99%. Прокатка реверсивная. Рекристаллизационный отжиг для получения биаксиальной текстуры проводят в течение 1 часа в вакуумной печи (3⋅10-5 мм. рт.ст.) при температурах 950, 1000, 1050 или 1100°С. Нагрев ленточных образцов, помещенных в вакуумный контейнер, осуществляют посадкой в печь, нагретую до требуемой температуры, охлаждение образцов после отжига - вне печного пространства. После рекристаллизационного отжига при температуре ≥1000°С в прокатанных лентах из всех сплавов формируется острая кубическая текстура с объемной долей зерен, имеющих ориентацию {001}<100>±10° более 97%. Пример 1.Ternary alloys on a copper-nickel base are smelted in alundum crucibles in an argon atmosphere in a vacuum induction furnace. Use oxygen-free copper with a purity of 99.95 wt. %, nickel with a purity of 99.99 wt. %, as well as niobium, molybdenum and tungsten with a purity not lower than 99.94 wt. %. The ingots are forged at a temperature in the range of 1100-900 ° C into rods with a cross section of 10 × 10 mm. After grinding,
Сплав Ni - 40 ат. %, Мо - 0.8 ат. %, Сu - остальное, выплавлен в атмосфере аргона в вакуумной индукционной печи. Используется бескислородная медь чистотой 99.95 вес. %, никель чистотой 99.99 вес. % и молибден чистотой не ниже 99.94 вес. %. Слиток весом 500 г, прокован при 1100-900°С на пруток сечением 10,5×10,5 мм. Полученный пруток подвергался шлифовке до размера 10×10×150 мм. Далее проводили отжиг полученной заготовки при температуре 650°С в течение 1.5 ч для создания однородной мелкозернистой структуры. Исходный размер зерна перед холодной прокаткой составлял 40 мкм. Реверсную прокатку осуществляли при комнатной температуре. Степень деформации составляла 99%, конечная толщина ленты ~90 мкм. Сумма объемных долей компонент текстуры деформации составляла: S+C=41.8%, 2 В=25,1%. Сумма объемных долей компонент S и С намного превышает удвоенную объемную долю компоненты В, что говорит о возможности реализации в ленте острой кубической текстуры после рекристаллизационного отжига. В результате рекристаллизационного отжига в вакууме при температуре 1050°С в течение 1 ч в сплаве сформировалась острая кубическая текстура с содержанием зерен ориентации {001}<100>±100° ≥ 97% (см. фиг. 1).Ni alloy - 40 at. %, Mo - 0.8 at. %, Cu - the rest, melted in an argon atmosphere in a vacuum induction furnace. We use oxygen-free copper with a purity of 99.95 wt. %, nickel with a purity of 99.99 wt. % and molybdenum with a purity not lower than 99.94 wt. %. An ingot weighing 500 g, forged at 1100-900 ° C onto a bar with a cross section of 10.5 × 10.5 mm. The resulting rod was ground to a size of 10 × 10 × 150 mm. Then, the obtained workpiece was annealed at a temperature of 650 ° C for 1.5 h to create a homogeneous fine-grained structure. The original grain size before cold rolling was 40 μm. Reverse rolling was carried out at room temperature. The degree of deformation was 99%, the final thickness of the tape was ~ 90 μm. The sum of the volume fractions of the deformation texture components was: S + C = 41.8%, 2 B = 25.1%. The sum of the volume fractions of the S and C components is much higher than the doubled volume fraction of the B component, which indicates the possibility of a sharp cubic texture in the ribbon after recrystallization annealing. As a result of recrystallization annealing in vacuum at a temperature of 1050 ° C for 1 h, a sharp cubic texture with the content of grains of orientation {001} <100> ± 100 ° ≥ 97% was formed in the alloy (see Fig. 1).
Сплав Ni - 40 ат. %, Мо - 0.8 ат. %, Сu - остальное, обладает высокой термической устойчивостью к развитию вторичной рекристаллизации. Предел текучести готовой ленты составляет 108 МПа, (см. табл. 1), что почти в 4 раза превышает предел текучести ленты из чистой меди и даже немного выше величины предела текучести тройных сплавов на медно-никелевой основе с 3d-переходными металлами 4 периода: железа, или хрома, или ванадия (см. табл.1). Сплав является немагнитным при рабочих температурах высокотемпературного сверхпроводника.Ni alloy - 40 at. %, Mo - 0.8 at. %, Cu - the rest, has a high thermal resistance to the development of secondary recrystallization. The yield point of the finished strip is 108 MPa, (see Table 1), which is almost 4 times higher than the yield point of a pure copper strip and even slightly higher than the yield point of ternary alloys on a copper-nickel base with 3d transition metals of 4 periods: iron, or chromium, or vanadium (see table 1). The alloy is non-magnetic at the operating temperatures of a high-temperature superconductor.
Таким образом, достигнут технический результат, заключающегося в расширении арсенала тройных сплавов на медно-никелевой основе, обладающих необходимыми прочностными свойствами, степенью остроты кристаллографической текстуры, при сохранении немагнитности при рабочей температуре высокотемпературного сверхпроводника (77 К), посредством которого решается поставленная техническая проблема.Thus, the technical result has been achieved, which consists in expanding the arsenal of ternary alloys on a copper-nickel base, possessing the necessary strength properties, the degree of sharpness of the crystallographic texture, while maintaining non-magnetic at the operating temperature of a high-temperature superconductor (77 K), by means of which the posed technical problem is solved.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137569A RU2759146C1 (en) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137569A RU2759146C1 (en) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2759146C1 true RU2759146C1 (en) | 2021-11-09 |
Family
ID=78466925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020137569A RU2759146C1 (en) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2759146C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2365740A1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-05 | Robert D. Cameron | Alloy materials |
US6428635B1 (en) * | 1997-10-01 | 2002-08-06 | American Superconductor Corporation | Substrates for superconductors |
CN1239725C (en) * | 2001-09-18 | 2006-02-01 | 北京有色金属研究总院 | Cubic woven structure copper-nickel alloy base band without magnetism and its preparing method |
RU2451766C1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-05-27 | Учреждение Российской академии наук Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) | Method for biaxial textured substrate production from binary alloy on basis of nickel for epitaxial application of buffer and high-temperature superconductive layers for ribbon superconductors to substrate |
RU2015147824A (en) * | 2015-11-06 | 2017-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | A method of manufacturing a biaxially textured triple alloy substrate on a copper-nickel basis |
-
2020
- 2020-11-16 RU RU2020137569A patent/RU2759146C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6428635B1 (en) * | 1997-10-01 | 2002-08-06 | American Superconductor Corporation | Substrates for superconductors |
CA2365740A1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-05 | Robert D. Cameron | Alloy materials |
AU764082B2 (en) * | 1999-03-31 | 2003-08-07 | American Superconductor Corporation | Alloy materials |
CN1239725C (en) * | 2001-09-18 | 2006-02-01 | 北京有色金属研究总院 | Cubic woven structure copper-nickel alloy base band without magnetism and its preparing method |
RU2451766C1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-05-27 | Учреждение Российской академии наук Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) | Method for biaxial textured substrate production from binary alloy on basis of nickel for epitaxial application of buffer and high-temperature superconductive layers for ribbon superconductors to substrate |
RU2015147824A (en) * | 2015-11-06 | 2017-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | A method of manufacturing a biaxially textured triple alloy substrate on a copper-nickel basis |
RU2624564C2 (en) * | 2015-11-06 | 2017-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Manufacture method of biaxial textured support plate from triple alloy on copper-nickel basis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5064611B2 (en) | Nickel-based metal material and method for producing the same | |
JP2001518564A (en) | Superconductor substrate | |
JP2002540294A (en) | Alloy material | |
Khlebnikova et al. | Perfect cubic texture, structure, and mechanical properties of nonmagnetic copper-based alloy ribbon substrates | |
US4363675A (en) | Process for producing compound based superconductor wire | |
RU2624564C2 (en) | Manufacture method of biaxial textured support plate from triple alloy on copper-nickel basis | |
JP5074375B2 (en) | Method for producing and using nickel-based semi-finished product with recrystallized cubic texture | |
Bhattacharjee et al. | Nickel base substrate tapes for coated superconductor applications | |
CN107267900B (en) | A kind of preparation method of the high intensity without ferromagnetism texture acid bronze alloy base band | |
RU2759146C1 (en) | Method for manufacturing biaxially textured substrate in the form of copper-nickel-based triple alloy tape for epitaxial deposition of buffer and high-temperature superconducting layers on it | |
Sarma et al. | On the development of high strength and bi-axially textured Ni–3% W/Ni–10% Cr–1.5% Al composite substrate for coated conductor application | |
JP5330725B2 (en) | Superconducting wire substrate and manufacturing method thereof | |
CN109338161B (en) | Cubic texture nickel alloy base band and preparation method thereof | |
KR101231936B1 (en) | Nickel-based semifinished product having a cube recrystallization texture, corresponding method of production and use | |
Nekkanti et al. | Development of nickel alloy substrates for Y-Ba-Cu-O coated conductor applications | |
Khlebnikova et al. | Creation of a sharp cube texture in ribbon substrates of Cu–40% Ni–M (M= Fe, Cr, V) ternary alloys for high-temperature second generation superconductors | |
RU2451766C1 (en) | Method for biaxial textured substrate production from binary alloy on basis of nickel for epitaxial application of buffer and high-temperature superconductive layers for ribbon superconductors to substrate | |
Khlebnikova et al. | Textured tape substrates from binary copper alloys with vanadium and yttrium for the epitaxial deposition of buffer and superconducting layers | |
Cui et al. | Effect of different deformation and annealing procedures on non-magnetic textured Cu 60 Ni 40 alloy substrates | |
RU2481674C1 (en) | Method to manufacture substrate for high-temperature thin-film superconductors and substrate | |
Suo et al. | Development of advanced substrates for HTS coated conductors | |
Zhou et al. | Fabrication of cube-textured Ni-9% atW substrate for YBCO superconducting wires using powder metallurgy | |
US4419148A (en) | High-remanence Fe-Ni and Fe-Ni-Mn alloys for magnetically actuated devices | |
Khlebnikova et al. | Anticorrosion properties of textured substrates made of copper-based binary alloys | |
JP5323444B2 (en) | Composite substrate for oxide superconducting wire, manufacturing method thereof, and superconducting wire |